EP0549910A1

EP0549910A1 - Dental turbine with speed regulator

Info

Publication number: EP0549910A1
Application number: EP92120578A
Authority: EP
Inventors: Manfred Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Franetzki; Jürgen Dipl.-Ing. Wohlgemuth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-12-17
Filing date: 1992-12-02
Publication date: 1993-07-07
Anticipated expiration: 2012-12-02
Also published as: DK0549910T3; EP0549910B1; JP3308613B2; JPH05245163A; US5522695A; ATE139104T1; DE4141673A1; DE59206565D1; US5364227A

Abstract

There are proposed a number of embodiments of an adjustable dental turbine in which adjustment means (7) are provided for the purpose of regulating the speed and which alter the effect of an essentially constant volume flow of the drive fluid on the blade wheel or in which a volume flow (8, 8a) deflected on the blade wheel (4) is directed as a function of the speed toward the baffle surface (37) of an actuating drive (26) influencing the adjustment means. The adjustment means (7) can alter, inter alia, the flow direction of the drive fluid on to the blade wheel (4). <IMAGE>

Description

Um unterschiedlichen Präparationen in der zahnärztlichen Praxis gerecht zu werden, werden heute hauptsächlich zwei Antriebsarten eingesetzt, Turbinenantriebe mit sehr hohen Leerlaufdrehzahlen (über 300.000 min⁻¹) und Elektro- oder Luftmotore mit demgegenüber niedrigeren Drehzahlen (bis max. ca. 200.000 min⁻¹).In order to do justice to different preparations in dental practice, two main types of drive are used today, turbine drives with very high idling speeds (over 300,000 min⁻¹) and electric or air motors with lower speeds (up to a maximum of approx. 200,000 min⁻¹) .

Dentalturbinen haben den Vorteil des relativ einfachen Aufbaues und der einfachen Versorgung, sind allerdings mit den Nachteilen einer relativ geringen Bohrleistung und einer zu hohen Leerlaufdrehzahl, die bei Belastung durch ein äußeres Moment M stark absinkt, behaftet. Ebenfalls Folge der zu hohen Drehzahl ist ein relativ hoher Verschleiß und die Gefahr des Verbrennens von Zahnsubstanz.Dental turbines have the advantage of a relatively simple structure and simple supply, but they have the disadvantages of a relatively low drilling capacity and an excessively high idling speed, which drops significantly when an external moment M is applied. Another consequence of the excessively high speed is a relatively high degree of wear and the risk of tooth substance burning.

Elektro- bzw. Luftmotorantriebe liefern Zwar ausreichende Drehmomente und Bohrleistungen; die optimalen Drehzahlen (180 - 200.000 min⁻¹) werden allerdings nur mit erheblichem technischem Aufwand (viele schnell bewegte Teile) bei entsprechend hohem Verschleiß, relativ großem Gewicht und relativ hohen Kosten erreicht.Electric or air motor drives deliver sufficient torques and drilling performance; However, the optimal speeds (180 - 200,000 min allerdings¹) can only be achieved with considerable technical effort (many quickly moving parts) with a correspondingly high level of wear, relatively high weight and relatively high costs.

Diese unterschiedlichen Eigenschaften bedingen, daß der Zahnarzt heute in der Regel beide Antriebe an einer Behandlungseinheit benötigt.These different properties mean that the dentist today generally requires both drives on one treatment unit.

Um bei Dentalturbinen ein Absinken der Drehzahl bei Belastung zu vermeiden, wurde schon vorgeschlagen, die Drehzahl lastunabhängig konstant zu halten. Bei einer bekannten solchen regelbaren Turbine (US-PS 3 865 505) ist im Zuleitungskanal der Antriebsdruckluft ein Ventil angeordnet, welches in Abhängigkeit vom Volumendurchsatz der Rückluft gesteuert wird. Sinkt durch ein äußeres Moment (Belastung) die Drehzahl der Turbine, so wird das Ventil im Zuleitungskanal geöffnet und dadurch ein größeres Luftvolumen zur Turbine geleitet. Die von der Rückluft abhängige Regelung des Zuluftstromes kann bei der bekannten Turbine auf verschiedene Weise erfolgen, u.a. über einen federbelasteten Schieber im Rückluftkanal, der das Ventil im Zuluftkanal steuert oder über eine im Rückluftkanal angeordnete Membran-Druckdose, die einen den Durchfluß in der Zuleitung steuernden Kolben verstellt.In order to avoid a decrease in the speed under load in dental turbines, it has already been proposed to keep the speed constant regardless of the load. In a known such controllable turbine (US Pat. No. 3,865,505), a valve is arranged in the supply duct of the drive compressed air, which valve is dependent is controlled by the volume flow of the return air. If the speed of the turbine drops due to an external moment (load), the valve in the supply duct is opened and a larger volume of air is thus directed to the turbine. The regulation of the supply air flow, which is dependent on the return air, can take place in the known turbine in various ways, inter alia via a spring-loaded slide in the return air duct, which controls the valve in the supply air duct, or via a diaphragm pressure can arranged in the return air duct, which controls the flow in the supply line Piston adjusted.

Die bekannte Turbine ist u.a. mit dem Nachteil behaftet, daß zur Drosselung des gesamten Luftstromes relativ große Kräfte erforderlich sind, die sich im Abluftkanal nur unter Einsatz von Volumen und Masse aufbringen lassen. Damit wird aber ein instabiles Regelverhalten der Turbine geschaffen. Des weiteren bedingt die bekannte Anordnung einen relativ großen Aufbau innerhalb des Turbinenhandstückes, wodurch es zu Einbauproblemen kommen kann.The well-known turbine is among others suffers from the disadvantage that relatively large forces are required to throttle the entire air flow, which forces can only be applied in the exhaust air duct using volume and mass. This creates an unstable control behavior of the turbine. Furthermore, the known arrangement requires a relatively large structure within the turbine handpiece, which can lead to installation problems.

Ziel der in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Erfindung ist, eine drehzahlgeregelte Turbine anzugeben, die die positiven Eigenschaften einerseits einer Turbine und andererseits eines Motorantriebs in sich vereint und die Nachteile der bekannten regelbaren Turbine vermeidet.The aim of the invention specified in claims 1 and 2 is to provide a speed-controlled turbine which combines the positive properties of a turbine on the one hand and a motor drive on the other and avoids the disadvantages of the known controllable turbine.

Ein wesentliches Kennzeichen der Regelung gemäß Patentanspruch 1 ist, daß der Volumenstrom des Antriebsfluids im wesentlichen konstant bleibt, so daß also weder in der Zuleitung noch in der Abluftleitung eine den Durchfluß des Fluides wesentlich beeinflussende Drosselstelle vorhanden ist. Alternativ oder auch in Kombination hierzu kann, gemäß Patentanspruch 2, ein am Laufrad abgelenkter Volumenstrom in seiner Wirkung drehzahlabhängig auf die Prallfläche eines die Stellmittel beeinflussenden Stellantriebs oder Stellgliedes gerichtet sein.An essential characteristic of the control system according to claim 1 is that the volume flow of the drive fluid remains essentially constant, so that there is no throttling point which significantly influences the flow of the fluid neither in the feed line nor in the exhaust air line. As an alternative or in combination with this, the effect of a volume flow deflected on the impeller can be speed-dependent on the impact surface of an actuator or actuator influencing the adjusting means.

Nachdem als Antriebsfluid heute in der Regel Druckluft zur Anwendung kommt, wird im folgenden stets dieses Medium angesprochen. obgleich es im Rahmen der Erfindung liegt, auch ein anderes geeignetes Antriebsmedium zu verwenden.Since compressed air is generally used as the drive fluid today, this medium is always addressed below. although it is within the scope of the invention to use another suitable drive medium.

Die Drehzahlregelung kann selbstregelnd oder auch mit Hilfe eines Sensors über einen Soll-Istvergleich erfolgen. Bei der zuletzt genannten Regelung wird die Drehzahl (n) des Laufrades mit einem geeigneten Sensor erfaßt und die momentane Drehzahl in einem Regler mit einem eingestellten Sollwert (n_s) verglichen. Bei Abweichung beeinflußt der Regler über einen Stellantrieb später noch näher beschriebene Stellmittel, die den Volumenstrom des Treibluftstrahls, der aus der Düse austritt und auf das Laufrad auftrifft, so, daß eine Drehzahlabweichung bis zur maximal möglichen Belastung P_max möglichst konstant bzw. sehr klein bleibt.The speed control can be self-regulating or with the help of a sensor via a target / actual comparison. In the last-mentioned regulation, the speed (n) of the impeller is detected with a suitable sensor and the instantaneous speed is compared in a controller with a setpoint (n _s ). In the event of a deviation, the controller influences an adjusting means, which will be described later in more detail, and which affects the volume flow of the propellant air jet which emerges from the nozzle and impinges on the impeller, so that a speed deviation up to the maximum possible load P _max remains as constant as possible or very small .

Die Regelung der Drehzahl auf einen Sollwert der gewünschten optimalen Drehzahl geschieht vorteilhafterweise auf folgende Weise:
Die Turbine wird, ähnlich wie bekannt, mit dem Antriebsfluid angeströmt und in Rotation versetzt. Der antreibende Strahl wird erst in unmittelbarer Nähe des Laufrades der Turbine verändert. Die unmittelbare Nähe deshalb, um Totzeiten klein zu halten und den Einfluß der Kompressibilität der Luft und evtl. von elastischen Zuleitungen auszuschalten, was zu instabilem Regelverhalten oder zu verzögertem Einstellen auf Bohrer-Laständerungen führen würde.The control of the speed to a desired value of the desired optimal speed is advantageously done in the following way:
In a manner similar to that known, the drive fluid flows against the turbine and causes it to rotate. The driving jet is only changed in the immediate vicinity of the turbine impeller. The immediate proximity, therefore, to keep dead times short and to eliminate the influence of the compressibility of the air and possibly of elastic supply lines, which would lead to unstable control behavior or delayed adjustment to drill load changes.

Die Beeinflussung des Volumenstromes kann erfolgen

a) durch variable Strahlführung, die mehr oder weniger stark auf die Turbinenschaufeln gerichtet ist,
b) durch variables Bremsen der Turbinenschaufeln oder
c) durch eine Kombination aus den genannten Varianten a und b.

The volume flow can be influenced

a) by variable beam guidance, which is directed more or less strongly at the turbine blades,
b) by variable braking of the turbine blades or
c) by a combination of variants a and b.

Die Strahlführung kann vorteilhafterweise mittels einer Ablenkfahne zwischen Düsenöffnung und Laufrad mittels eines Strahlteilers im Bereich der Düsenaustrittsöffnung, durch axiale Verschiebung des Laufrades oder durch Änderung der Düsenposition relativ zum Laufrad variiert werden.The jet guidance can advantageously be varied by means of a deflection flag between the nozzle opening and the impeller by means of a beam splitter in the region of the nozzle outlet opening, by axially displacing the impeller or by changing the nozzle position relative to the impeller.

Die Drehzahlmessung kann erfolgen:

a) optisch, z.B. durch Erfassen einer Markierung auf dem Turbinenrad,
b) induktiv, z.B. durch Messung der Spannung, die durch auf dem Turbinenrad befestigte Magnete in einer außen angeordneten Spule induziert wird,
c) kapazitiv, z.B. durch Messung der Kapazitätsänderung eines durch die vorbeilaufenden Turbinenschaufeln und festen Gegenelektroden gebildeten Kondensators,
d) strömungstechnisch, z.B. durch Messung von Strömungsänderungen des an de Turbinenschaufeln abgelenkten Treibluftstrahls.

The speed measurement can take place:

a) optically, for example by detecting a marking on the turbine wheel,
b) inductively, for example by measuring the voltage induced by magnets attached to the turbine wheel in an outside coil,
c) capacitively, for example by measuring the change in capacitance of a capacitor formed by the turbine blades passing by and fixed counter electrodes,
d) in terms of flow technology, for example by measuring changes in the flow of the propellant jet deflected at the turbine blades.

Auch andere, hier nicht ausdrücklich genannte Verfahren der Drehzahlmessung sind im Rahmen der Erfindung möglich.Other, not expressly mentioned methods of speed measurement are also possible within the scope of the invention.

Die Regelung kann, wie bereits angesprochen,

indirekt, elektronisch in Verbindung mit elektromagnetischen, piezoelektrischen oder anderen Stellantrieben oder
direkt, mechanisch oder strömungsmechanisch unter Ausnutzung belastungsabhängiger Kräfte im Antriebssystem der Turbine oder auch
aus einer Kombination von beiden

erfolgen.As already mentioned, the regulation can

indirectly, electronically in connection with electromagnetic, piezoelectric or other actuators or
directly, mechanically or fluid mechanically using load-dependent forces in the turbine drive system or also
from a combination of both

respectively.

Nachfolgend werden ein Regelungsprinzip sowie mehrere konstruktive Ausführungsbeispiele einer regelbaren Turbine nach der Erfindung beschrieben.
Es zeigen:

Figur 1 eine vereinfachte Darstellung eines Regelungsprinzips,
Figur 2 zwei das Regelverhalten der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik aufzeigende Kennlinien,
Figuren 3 bis 15 mehrere Ausführungsformen einer regelbaren Turbine nach der Erfindung,
Figur 16 ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Sensors nach der Erfindung.

A regulation principle and several constructive exemplary embodiments of a controllable turbine according to the invention are described below.
Show it:

FIG. 1 shows a simplified illustration of a control principle,
FIG. 2 shows two characteristic curves showing the control behavior of the invention compared to the prior art,
FIGS. 3 to 15 show several embodiments of an adjustable turbine according to the invention,
Figure 16 shows an embodiment of an electrical sensor according to the invention.

Die Figur 1 zeigt in einer vereinfachten Prinzipdarstellung eine Regelanordnung für eine indirekte Regelung der Drehzahl unter Einbeziehung eines Sensors und eines Reglers mit Soll-/Istwertvergleich.FIG. 1 shows a simplified basic illustration of a control arrangement for an indirect control of the rotational speed with the inclusion of a sensor and a controller with a setpoint / actual value comparison.

Ein nicht dargestelltes, in bekannter Weise aufgebautes zahnärztliches Turbinenhandstück enthält eine Turbine, die aus einer Versorgungsquelle 1 über eine Leitung 2 mit einem geeigneten Fluid angetrieben wird. Nachdem Druckluft heute das üblicherweise verwendete Antriebsmedium ist, wird im folgenden stets von diesem ausgegangen. Denkbar und im Rahmen der Erfindung liegt es aber auch, ein anderes geeignetes Antriebsmedium zu verwenden.A dental turbine handpiece (not shown) constructed in a known manner contains a turbine which is driven with a suitable fluid from a supply source 1 via a line 2. Since compressed air is the commonly used drive medium today, it is always assumed in the following. It is also conceivable and within the scope of the invention to use another suitable drive medium.

Die aus einer Düse 3 ausströmende Luft beaufschlagt in an sich bekannter Weise direkt die Schaufeln des Turbinenlaufrades 4.The air flowing out of a nozzle 3 acts directly on the blades of the turbine impeller 4 in a manner known per se.

Bei der hier vorgestellten geregelten Turbine wird die Drehzahl des Laufrades 4 mit einem geeigneten Sensor 5 erfaßt. In einem Regler 6 wird die momentane Drehzahl mit einem stellbaren Sollwert n_s verglichen. Bei Abweichung aktiviert der Regler 6 ei nen Stellantrieb 9 für allgemein mit 7 bezeichnete, in der nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläuterte Stellmittel 7, welche den durch Pfeil 8 angedeuteten, auf das Laufrad 4 gerichteten Treibluftstrahl (Volumenstrom) beeinflussen, und zwar derart, daß die Drehzahlabweichung bis zu einer maximal möglichen Belastung (P_max) möglichst klein bleibt. Zweckmäßigerweise liegt der eingestellte Sollwert bei der optimalen Arbeitsdrehzahl der Turbine. Mit Hilfe der Stellmittel 7, von denen mehrere vorteilhafte Varianten in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen vorgestellt werden, ist es möglich, die Drehzahl über eien relativ großen Belastungsbereich annähernd konstant zu halten.In the controlled turbine presented here, the speed of the impeller 4 is detected with a suitable sensor 5. In one Controller 6 compares the current speed with an adjustable setpoint n _s . In the event of a deviation, the controller 6 activates an actuator 9 for generally designated 7 actuating means 7, which are explained in more detail in the following exemplary embodiments and which influence the jet of air (volume flow) indicated by arrow 8 and directed toward the impeller 4, in such a way that the speed deviation remains as small as possible up to a maximum possible load (P _max ). The setpoint value is expediently at the optimum working speed of the turbine. With the help of the adjusting means 7, of which several advantageous variants are presented in the following exemplary embodiments, it is possible to keep the speed approximately constant over a relatively large load range.

Die Figur 2 zeigt anhand der Kennlinien einerseits einer ungeregelten Turbine nach dem Stand der Technik (Kennlinie I) und einer geregelten Turbine nach der Erfindung (Kennlinie II) diese Konstanz sehr deutlich.FIG. 2 shows this constancy very clearly based on the characteristics of an uncontrolled turbine according to the prior art (characteristic I) and a regulated turbine according to the invention (characteristic II).

Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele einer regelbaren Turbine gemäß der Erfindung beschrieben.Several exemplary embodiments of a controllable turbine according to the invention are described below.

Ausführungsbeispiel 1 (Figuren 3 und 4)Embodiment 1 (Figures 3 and 4)

Um die Leerlaufdrehzahl auf das gewünschte Maß einzustellen, kann die Wirkung des Luftstromes 8 aus der Düse 3 auf das Laufrad 4 durch ein elektromagnetisches System aus Magnetspule 10 mit Weicheisenkern 11, Weicheisenrückschluß 12 und einem an einer Biegefeder 13 angeordneten Ankerblech 14 dadurch beeinflußt werden, daß ein als Ablenkfahne 15 zu bezeichnender abgewinkelter Abschnitt der Biegefelder 13 zwischen Düsenöffnung und Laufrad 4 gezogen wird.In order to adjust the idle speed to the desired level, the effect of the air flow 8 from the nozzle 3 on the impeller 4 can be influenced by an electromagnetic system comprising a magnetic coil 10 with a soft iron core 11, soft iron yoke 12 and an anchor plate 14 arranged on a spiral spring 13 in that an angled section of the bending fields 13 to be referred to as a deflection flag 15 is drawn between the nozzle opening and the impeller 4.

Die Figur 3 zeigt die eine Endstellung der Ablenkfahne 15 bei voll aktivierter Spule, bei der sich die gewünschte Leerlaufdrehzahl durch partielle Abschattung der Düsenöffnung 3 und Ablenkung des austretenden Luftstrahls 8 einstellt.FIG. 3 shows the one end position of the deflection flag 15 when the coil is fully activated, at which the desired idling speed by partially shading the nozzle opening 3 and deflecting the emerging air jet 8.

Die Figur 4 zeigt die andere Endstellung der Ablenkfahne 15 bei maximaler Belastung (P_max) der Turbine. Der Spulenstrom ist abgeschaltet. Durch die Federkraft der Biegefeder 13 wird die Ablenkfahne 15 von der Düsenöffnung zurückgezogen.FIG. 4 shows the other end position of the deflection flag 15 at maximum load (P _max ) on the turbine. The coil current is switched off. The deflection lug 15 is withdrawn from the nozzle opening by the spring force of the spiral spring 13.

Der Antriebsstrahl ist hier optimal, d.h. mit höchstem Wirkungsgrad auf das Laufrad gerichtet.The drive beam is optimal here, i.e. aimed at the impeller with maximum efficiency.

Für die Drehzahlregelung zwischen Leerlauf und maximaler Belastung (P_max) können verschiedene Spulenansteuerungen Gewählt werden. So kann vorteilhafterweise die Ablenkfahne 15 analog über einen veränderlichen Spulenstrom gegen die Rückstellkraft der Biegefeder 13 mehr oder weniger weit vor die Düsenöffnung gezogen werden. Alternativ ist es denkbar, die Ablenkfahne 15 digital zwischen den beschriebenen beiden Endpositionen mit einer festen Taktfrequenz (z.B. 200 Hz) hin- und herzubewegen. Die Regelung kann hierbei durch Veränderung des Taktverhältnisses erfolgen.Various coil controls can be selected for speed control between idling and maximum load (P _max ). For example, the deflection flag 15 can advantageously be drawn more or less far in front of the nozzle opening via a variable coil current against the restoring force of the spiral spring 13. Alternatively, it is conceivable to digitally move the deflection flag 15 back and forth between the two end positions described with a fixed clock frequency (for example 200 Hz). The regulation can be done by changing the clock ratio.

Ausführungsbeispiel 2 (Figuren 5 und 6)Embodiment 2 (Figures 5 and 6)

Ähnlich wie im Beispiel 1 wird die Strahlführung ebenfalls durch eine Ablenkfahne 15 beeinflußt. Anders als im Beispiel 1 wird hier jedoch der Anteil des Luftstromes 8, der das Laufrad 4 trifft, verändert. Während in der einen Endstellung (Fig. 5), die einer gewünschten Leerlaufdrehzahl entspricht, nur der Anteil 8a wirksam auf die Schaufeln des Laufrades gerichtet ist, der Restanteil 8b dagegen weitgehend nicht genutzt wird, trifft in der anderen Endstellung (Fig. 6), die der Drehzahl bei maximaler Belastung entspricht, der volle Luftstrom 8 auf das Schaufelrad.Similar to example 1, the beam guidance is also influenced by a deflection flag 15. Unlike in Example 1, however, the proportion of the air flow 8 that strikes the impeller 4 is changed here. While in one end position (FIG. 5), which corresponds to a desired idling speed, only portion 8a is effectively directed at the blades of the impeller, while the remaining portion 8b is largely not used, in the other end position (FIG. 6), which corresponds to the speed at maximum load, the full air flow 8 onto the paddle wheel.

Als Stellantrieb für die Ablenkfahne 15 kommt ein piezoelektrischer Biegebalken 16 zur Anwendung, der sich unter dem Einfluß einer angelegten elektrischen Spannung (U) so biegt, daß sich die Position der Ablenkfahne 15 im Luftstrahl verändert. Zwischen den beiden Endpositionen für Leerlauf und Vollast (P_max) kann die Ansteuerspannung U, wie der Spulenstrom in Beispiel 1, analog oder digital variiert werden.A piezoelectric bending beam 16 is used as an actuator for the deflection flag 15, which bends under the influence of an applied electrical voltage (U) in such a way that the position of the deflection flag 15 changes in the air jet. Between the two end positions for idling and full load (P _max ), the control voltage U, like the coil current in Example 1, can be varied analog or digital.

Ausführungsbeispiel 3 (Figuren 7 und 8)Embodiment 3 (Figures 7 and 8)

Dieses Ausführungsbeispiel zeigt eine Möglichkeit auf, den Platzbedarf für das erforderliche, elektrisch angesteuerte Stellelement in einem Turbinenhandstück zu reduzieren. Bei diesem Beispiel zweigt von der Zuleitung 2 eine Leitung 17 ab, in der als Stellantrieb ein Ventil 18 angeordnet ist. Die Austrittsdüse 19 der Abzweigleitung 17 ist auf eine Blattfeder 20 gerichtet.This exemplary embodiment shows a possibility of reducing the space requirement for the required, electrically controlled actuating element in a turbine handpiece. In this example, a line 17 branches off from the supply line 2, in which a valve 18 is arranged as an actuator. The outlet nozzle 19 of the branch line 17 is directed to a leaf spring 20.

Der Luftstrahl 8 aus der Austrittsdüse 3 wird durch die an der Blattfeder 20 befestigte Ablenkfahne 15, ähnlich wie schon anhand des Beispieles 1 beschrieben, beeinflußt. Das Ventil 18 kann zweckmäßigerweise ein Magnetventil sein, das gemäß Figur 1 vom Regler 6 aktiviert wird.The air jet 8 from the outlet nozzle 3 is influenced by the deflection flag 15 fastened to the leaf spring 20, similarly as already described with reference to Example 1. The valve 18 can expediently be a solenoid valve which is activated by the controller 6 according to FIG. 1.

Während in Figur 7 die Düse 19 durch das Ventil 18 geschlossen ist, ist das Ventil in der Darstellung nach Figur 8 geöffnet. Der aus der Düse 19 strömende Luftstrahl drückt die Blattfeder 20 und damit die Ablenkfahne 15 aus dem Luftstrahl der Austrittsdüse 3.While the nozzle 19 is closed by the valve 18 in FIG. 7, the valve in the illustration according to FIG. 8 is open. The air jet flowing out of the nozzle 19 presses the leaf spring 20 and thus the deflection vane 15 out of the air jet of the outlet nozzle 3.

Da der benötigte Hilfsluftstrom und damit der Hilfsdüsenquerschnitt relativ klein ist, kann entsprechend auch das erforderliche Magnetventil 18 klein gehalten werden.Since the required auxiliary air flow and thus the auxiliary nozzle cross section is relatively small, the required solenoid valve 18 can accordingly be kept small.

Analog zum erläuterten Beispiel 1 und 2 kann der Hilfsluftstrom aber auch mit einem elektromagnetischen oder piezoelektrischen Stellantrieb mit Ablenkfahne zwischen Hilfsdüsenöffnung und Blattfeder beeinflußt werden.Analogous to the examples 1 and 2 explained, the auxiliary air flow can also be influenced with an electromagnetic or piezoelectric actuator with a deflection vane between the auxiliary nozzle opening and the leaf spring.

Ausführungsbeispiel 4 (Figuren 9 und 10)Embodiment 4 (Figures 9 and 10)

Bei dieser Ausführung ist in der Luftaustrittsdüse 3 ein Strahlteiler 22 vorgesehen. Mittels des Strahlteilers 22 kann der Querschnitt der Austrittsdüsenöffnung so verändert werden, daß entweder der gesamte Volumenstrom 8 durch die Austrittsöffnung 24 geleitet wird (Fig. 9) oder daß der Volumenstrom 8 in veränderbare Teilströme (8a, 8b) unterteilt wird, von denen der eine Teilstrom (8a) als Antriebsstrom und der andere, der über eine sich bei Verstellung bildende Düsenöffnung 25 austritt, als Bremsstrom wirkt (Fig. 10).In this embodiment, a beam splitter 22 is provided in the air outlet nozzle 3. By means of the beam splitter 22, the cross section of the outlet nozzle opening can be changed such that either the entire volume flow 8 is passed through the outlet opening 24 (FIG. 9) or that the volume flow 8 is divided into variable partial flows (8a, 8b), one of which Partial flow (8a) acts as the drive current and the other, which emerges via a nozzle opening 25 which is formed during adjustment, acts as the brake current (FIG. 10).

Figur 9 zeigt also den zur Querschnittsveränderung der Düsenöffnungen 24, 25 beweglichen Strahlteiler 22 in der einen Endstellung, in der die Antriebsdüse 24 den maximal möglichen Querschnitt hat. Die Bremsdüse 25 ist dabei ganz geschlossen (Vollaststellung P_max).FIG. 9 therefore shows the beam splitter 22 which is movable for changing the cross section of the nozzle openings 24, 25 in the one end position in which the drive nozzle 24 has the maximum possible cross section. The brake nozzle 25 is completely closed (full load position P _max ).

Figur 10 zeigt den Strahlteiler 22 in der anderen Endposition. Der Antriebsdüsenquerschnitt 24 ist hier reduziert, die Bremsdüse 25 dagegen geöffnet (Leerlaufstellung).Figure 10 shows the beam splitter 22 in the other end position. The drive nozzle cross section 24 is reduced here, while the brake nozzle 25 is open (idle position).

Als Stellantriebe für den Strahlteiler 22 können die in Beispiel 1 bis 3 beschriebenen Systeme vorgesehen werden.The systems described in Examples 1 to 3 can be provided as actuators for the beam splitter 22.

Ausführungsbeispiel 5 (Figuren 11 bis 13)Embodiment 5 (Figures 11 to 13)

Dieses Ausführungsbeispiel zeigt eine mögliche Ausführung einer selbstregelnden Turbine auf.This exemplary embodiment shows a possible embodiment of a self-regulating turbine.

Die als Stellmittel zur Veränderung der Wirkung des Volumenstromes wirkende Ablenkfahne 15 befindet sich an einer kreisringförmigen Biegefeder 26, die konzentrisch unterhalb des Laufrades 4 an einem Träger 28 angeordnet ist und als Stellantrieb für die Ablenkfahne 15 dient.The deflecting vane 15, which acts as an adjusting means for changing the effect of the volume flow, is located on an annular spiral spring 26, which is arranged concentrically below the impeller 4 on a support 28 and serves as an actuator for the deflecting vane 15.

Figur 11 zeigt, wie der Luftstrom 8 von der Ablenkfahne 15 abgelenkt und in Teilluftströme 8a, 8b unterteilt wird. Im Leerlauf bietet das Laufrad 4 keinen nennenswerter Strömungswiderstand und läuft frei mit der noch auftreffenden Strömung um. Die Leerlaufdrehzahl wird, wie in Beispiel 3, durch den Eingriff der Ablenkfahne 15 in die Strahlführung der Treibluft auf das gewünschte Maß reduziert.FIG. 11 shows how the air flow 8 is deflected from the deflection vane 15 and divided into partial air flows 8a, 8b. When idling, the impeller 4 does not offer any appreciable flow resistance and runs freely with the current that is still incident. As in Example 3, the idling speed is reduced to the desired level by the engagement of the deflection flag 15 in the jet guidance of the propellant air.

Wird das Laufrad durch ein äußeres Moment (Belastung) abgebremst, erhöht sich damit der Strömungswiderstand an den Laufradschaufeln und der Luftstrahl wird an den Schaufelflächen abgelenkt. Die abgelenkte Luft trifft auf eine Prallfläche 37 der Biegefeder 26 auf, wodurch letztere nach unten auslenkt und damit die Ablenkfahne 15 aus dem Treibluftstrom gezogen wird.If the impeller is braked by an external moment (load), the flow resistance at the impeller blades increases and the air jet is deflected at the blade surfaces. The deflected air strikes an impact surface 37 of the spiral spring 26, whereby the latter deflects downward and the deflection flag 15 is thus pulled out of the motive air flow.

Je stärker das Bremsmoment an der Turbine ist, desto stärker ist auch die Kraft der abgelenkten Luft auf die Biegefeder 26 und desto mehr wird auch die Ablenkfahne 15 aus dem Treibluftstrahl gezogen. Figur 12 zeigt wieder die Endstellung bei Vollast (P_max). Die Treibluftdüse 3 ist hier völlig frei, wodurch der Treibluftstrahl 8 optimal auf das Laufrad 4 gerichtet ist.The stronger the braking torque on the turbine, the stronger the force of the deflected air on the spiral spring 26 and the more the deflection flag 15 is drawn from the propellant air jet. Figure 12 again shows the end position at full load (P _max ). The driving air nozzle 3 is completely free here, as a result of which the driving air jet 8 is optimally directed onto the impeller 4.

Zur Beeinflussung, insbesondere Verbesserung der Regelcharakteristik kann die Kennlinie und/oder die Federcharakteristik der oben erwähnten Biegefeder verändert werden. Die Kennlinie kann dabei durch entsprechende Gestaltung des Strahlablenkteils oder auch der Düsenaustrittsöffnung verändert werden. Die Düsenöffnung kann z.B. einen vom Kreisquerschnitt abweichenden Querschnitt erhalten. Zur Unterdrückung von Regelschwingungen kann die Biegefeder auch mit geeigneten Dämpfungselementen gekoppelt sein.To influence, in particular improve, the control characteristic, the characteristic curve and / or the spring characteristic of the spiral spring mentioned above can be changed. The characteristic curve can be changed by appropriate design of the jet deflecting part or the nozzle outlet opening. The nozzle opening can, for example, have a circular cross section receive a different cross-section. To suppress control vibrations, the spiral spring can also be coupled with suitable damping elements.

Eine Möglichkeit der Gestaltung der Biegefeder 26 ist in Figur 13 gezeigt. Die Biegefeder bildet hier nur einen Ausschnitt eines Kreisringes und ist nur in dem mit 27 bezeichneten schraffierten Bereich an einem entsprechend ausgebildeten Träger 28 (Turbinengehäuse) eingespannt.One possibility of designing the spiral spring 26 is shown in FIG. 13. The spiral spring here forms only a section of a circular ring and is only clamped in the hatched area designated by 27 on a correspondingly designed carrier 28 (turbine housing).

Zur Verbesserung der Regelcharakteristik kann zwischen dem Schaufelrad 4 und der Biegefeder eine Teilscheibe 29 angeordnet sein. Eine solche Teilscheibe dient als Abschirmung vor einem sich eventuell einstellenden Saugeffekt zwischen Schaufelrad und Biegefeder in diesem Bereich.To improve the control characteristic, a dividing disk 29 can be arranged between the impeller 4 and the spiral spring. Such a dividing disk serves as a shield against a possibly occurring suction effect between the paddle wheel and the spiral spring in this area.

Zur Veränderung der Federcharakteristik kann die Biegefeder 26 mit einem Dämpfungselement versehen sein, indem z.B. auf die Feder eine schwingungsdämpfende Folie od. dgl. aufgebracht wird.To change the spring characteristic, the spiral spring 26 can be provided with a damping element, e.g. a vibration-damping film or the like is applied to the spring.

Losgelöst von den bisher beschriebenen Ausführungen, bei denen der Volumenstrom für den Drehzahlregelvorgang praktisch konstant bleibt, bietet das anhand des Ausführungsbeispieles 5 erläuterte Prinzip, den am Laufrad abgelenkten Luftstrom auf die Prallfläche eines Stellantriebs oder Stellgliedes zu lenken, und zwar in seiner Wirkung drehzahlabhängig zu lenken, die Möglichkeit, damit den Volumenstrom durch z.B. eine in der Zufuhrleitung angeordnete Drossel oder dergleichen zu steuern.Detached from the previously described versions, in which the volume flow for the speed control process remains practically constant, the principle explained with reference to exemplary embodiment 5 offers to direct the air flow deflected on the impeller onto the impact surface of an actuator or actuator, and to direct its effect depending on the speed , the possibility so that the volume flow through eg to control a throttle or the like arranged in the supply line.

Embodiment 6 (Figures 14 and 15 )

Eine weitere Ausführung einer sich selbst regelnden Turbine ist in den Figuren 14 und 15 dargestellt.Another embodiment of a self-regulating turbine is shown in FIGS. 14 and 15.

Das Laufrad 4 sitzt frei beweglich auf der mit 30 bezeichneten Welle. Das Bewegungsspiel wird begrenzt durch eine schräge Nut 31 im Laufradbund und einen in der Nut geführten, mit der Welle fest verbundenen Mitnehmerzapfen 32. Eine konzentrisch über dem Laufrad angeordnete Tellerfeder 33, die sich an einem Wellenbund 34 abstützt, drückt das Laufrad axial nach unten.The impeller 4 is freely movable on the shaft designated 30. The movement is limited by an oblique groove 31 in the impeller collar and a driving pin 32 guided in the groove and firmly connected to the shaft. A disc spring 33, which is arranged concentrically above the impeller and is supported on a shaft collar 34, presses the impeller axially downward.

Die Figur 14 zeigt, wie das Laufrad im Leerlauf von der Feder in die unterste Endstellung gedrückt wird, wodurch der Antriebsluftstrahl 8 aus der Düse 3 in Teilströme 8a und 8b aufgeteilt wird, wobei der Teilstrom 8b z.T. wirkungslos über das Laufrad hinwegströmt. Im Leerlauf bieten die Laufwerksschaufeln keinen Strömungswiderstand und laufen mit der restlichen auftreffenden Luftströmung 8a bei reduzierter Drehzahl frei um.FIG. 14 shows how the impeller is pressed into the lowest end position by the spring when idling, as a result of which the drive air jet 8 from the nozzle 3 is divided into partial streams 8a and 8b, partial stream 8b partly. flows ineffectively over the impeller. When idling, the drive blades do not offer any flow resistance and circulate freely with the remaining impinging air flow 8a at a reduced speed.

Die Figur 15 zeigt die Laufradposition bei maximaler Last (P_max) an der Antriebswelle. Die Schaufeln des Laufrades werden hier mit dem vollen Antriebsluftstrahl 8 beaufschlagt.Figure 15 shows the impeller position at maximum load (P _max ) on the drive shaft. The blades of the impeller are acted upon with the full drive air jet 8.

Wird die Welle 30 durch ein äußeres Drehmoment abgebremst, dann wird dieses Moment über den Mitnehmerzapfen 32 in der Welle und die schräge Nut 31 im Laufradbund auf das Laufrad übertragen. Über die schiefe Ebene der Nut wird dabei das Laufrad gegen die Kraft der Feder 33 nach oben gedrückt. Damit vergrößert sich auch die Angriffsfläche des Luftstrahls auf die Laufradschaufel und das Bremsmoment wird durch ein erhöhtes Antriebsmoment kompensiert.If the shaft 30 is braked by an external torque, this moment is transmitted to the impeller via the driver pin 32 in the shaft and the oblique groove 31 in the impeller collar. The impeller is pressed upwards against the force of the spring 33 over the inclined plane of the groove. This also increases the area of attack of the air jet on the impeller blade and the braking torque is compensated for by an increased drive torque.

Zusätzlich wird beim Abbremsen des Laufrades der Strömungswiderstand an der Laufradschaufel erhöht und der Luftstrahl an den gekrümmten Schaufelwänden nach unten abgelenkt. Dabei entsteht an der angestrahlten oberen Schaufelhälfte eine nach oben gerichtete Reaktionskraft F, die die zuvor beschriebene Verschiebung des Laufrades nach oben unterstützt.In addition, when the impeller is braked, the flow resistance on the impeller blade is increased and the air jet on the curved blade walls is deflected downward. This creates an upward reaction force F on the illuminated upper half of the blade, which supports the above-described displacement of the impeller.

Ausführungsbeispiel 7 (Figur 16)Embodiment 7 (Figure 16)

Die Figur 16 zeigt eine besonders für die zuletzt beschriebenen Ausführungsformen gut geeignete Variante eines Sensors zur Erfassung der Turbinendrehzahl.FIG. 16 shows a variant of a sensor for detecting the turbine speed that is particularly suitable for the last-described embodiments.

Bei dieser Variante ist unterhalb des Laufrades 4 konzentrisch zur Laufradachse ein ringförmiges piezoelektrisches Biegeelement 35 angeordnet, auf dessen Prallfläche 36 der Treibluftstrahl 8 bzw. ein Teilstrom 8a nach Durchströmen der Laufradschaufel auftrifft und einen elektrischen Impuls erzeugt. Die so entstehende Impulsfolge mit der Frequenz n₁ ist der Turbinendrehzahl n nach der Beziehung

$n₁ = Nn$

direkt proportional.In this variant, an annular piezoelectric bending element 35 is arranged below the impeller 4, concentrically to the impeller axis, on the impact surface 36 of which the propellant air jet 8 or a partial stream 8a impinges after flowing through the impeller blade and generates an electrical pulse. The resulting pulse train with the frequency n₁ is the turbine speed n according to the relationship

n₁ = Nn

directly proportional.

Dabei ist Nn die Anzahl der Turbinenschaufeln.Nn is the number of turbine blades.

Mit einem solchen Sensor läßt sich die Turbinendrehzahl auf sehr einfache Weise erfassen.With such a sensor, the turbine speed can be detected in a very simple manner.

Claims

Adjustable dental turbine, in which adjusting means (7) are provided for regulating the speed, which change the effect of an essentially constant volume flow of the drive fluid on the impeller (4).

Adjustable dental turbine, in which, for regulating the speed, a volume flow (8, 8a) of the drive fluid deflected on the impeller (4) is speed-dependent on the impact surface (37) of an actuator (2) influencing the volume flow.

Dental turbine according to Claim 1 or 2, in which the adjusting means (7) divide the volume flow (8) directed towards the impeller (4) into variable partial flows (8a, 8b), a partial flow (8a) acting as the drive current.

Dental turbine according to Claim 3, in which the other partial flow (8b) acts as a braking current.

Dental turbine according to one of claims 1 to 4, in which the adjusting means (7) change the flow direction of the volume flow (8) onto the impeller (4).

Dental turbine according to Claim 5, in which the adjusting means (7) change the position of the drive nozzle (3).

Dental turbine according to one of Claims 2 to 6, in which the adjusting means (7) have a beam splitter (15, 22) which is arranged in an adjustable manner between the impeller (4) and the outlet nozzle (3) of the volume flow (8) or in the opening of the outlet nozzle (3). included, which divides the free drive jet into the partial streams (8a, 8b).

Dental turbine according to Claim 7, in which the beam splitter is designed as a beam deflecting part (15) which deflects the drive jet completely or partially from its direction predetermined by the outlet nozzle (3).

Dental turbine according to one of claims 1 to 8, in which a flexurally elastic part (13, 20, 26) is provided which has an angled end (15) which acts as adjusting means (7) and which fits into the drive jet between the outlet nozzle (3) and Impeller (4) is insertable.

Dental turbine according to one of claims 1 to 9, in which an electromagnetic, piezoelectric or magnetostrictive actuator (9, 11 to 13; 16) is assigned to the adjusting means (7).

Dental turbine according to one of Claims 1 to 9, in which a pneumatic actuator (9, 18, 19) is assigned to the adjusting means (7).

Dental turbine according to Claims 9 and 11, in which a line (17) directed from the supply line (2) of the drive fluid with its outlet nozzle (19) onto the flexible part (20), in which a controllable valve (18) is arranged.

Dental turbine according to one of claims 1 to 11, wherein the adjusting means (7) change the position of the impeller (4) in the axial direction of the shaft (30).

Dental turbine according to Claim 13, in which the adjusting means (7) automatically change the position of the impeller (4) as a function of the load torque on the drive shaft (30) of the impeller (4).

Dental turbine according to Claim 14, in which the impeller (4) is adjusted directly by the drive jet (8) directed at the impeller (4), in that the impeller blade surfaces are oriented obliquely to the jet direction in such a way that in addition to the driving force acting in the direction of the impeller an axially acting actuating force (F) is generated, which changes the position of the impeller (4), which can be displaced axially to the shaft (30) of the impeller against a spring element (33), depending on the load, in its position relative to the outlet nozzle (3).

Dental turbine according to Claim 14, in which, when the load on the drive system changes, the adjustment is carried out directly by the torque transmitted from the impeller (4) to the drive shaft (30) by means of an elastically acting adjusting mechanism (31 to 33) between the impeller (4) and shaft ( 30) the position of the impeller in the drive beam is changed.

Dental turbine according to Claim 16, in which the adjusting mechanism (31 to 33) between the impeller (4) and drive shaft (30) is formed by mutually corresponding guide surfaces (groove 31 and pin 32), at least one of which forms a coiled surface to the common axis, the resulting guide being limited by stops and in which a spring element (33) is also provided as a restoring element for the movement generated by the torque.

Dental turbine according to one of claims 1 to 17, in which in the immediate vicinity of the impeller (4) there is a sensor (5) which detects its speed and which delivers a variable corresponding to the actual rotational speed of the impeller, which is compared with a variable corresponding to the target rotational speed, in the event of deviations, an activation signal is given to an actuator (9) for adjusting the actuating means (7).

Dental turbine according to Claim 18, in which a speed sensor (5) is provided which measures the speed-dependent volume flow (8a) deflected on the blades of the impeller (4).

Dental turbine according to Claim 19, in which the speed sensor (5) is a piezoelectric element (35) which has an impact surface (36) on which an electrical signal proportional to the speed (n) is generated by the flow of each impeller blade passing the sensor (n₁) is generated.

Dental turbine according to one of Claims 9 to 20, in which the flexible part (13, 20, 26) is provided with means for damping vibrations in order to improve the control characteristic.

Dental turbine according to one of claims 1 to 21, in which the parts (5, 6, 7, 9) for the speed control are arranged within a handpiece receiving the turbine.